RU164349U1

RU164349U1 - INTEGRAL OPTICAL ELEMENT

Info

Publication number: RU164349U1
Application number: RU2015156988/28U
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Сайгин; Марина Михайловна Чугунова
Original assignee: Михаил Юрьевич Сайгин
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2016-08-27

Abstract

1. Интегральный оптический элемент в виде прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовки с плоскими гранями, в которой путём модификации показателя преломления сформирован волновод, состоящий из прямолинейных участков, причём оси каждой пары смежных участков пересекаются в плоскости ближайшей грани и лежат в одной плоскости с нормалью к этой грани под одинаковыми углами к ней, а на указанных гранях выполнена отражающая поверхность, отличающийся тем, что заготовка имеет, по меньшей мере, три плоские грани с отражающей поверхностью, образующие в сечении замкнутый контур, а участки волновода образуют трёхмерную спираль.2. Интегральный оптический элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве отражающей поверхности используют слоистую диэлектрическую структуру, которую наносят непосредственно на указанные плоские грани.1. An integrated optical element in the form of a solid-state workpiece, transparent for wavelengths of a given range, with flat faces, in which a waveguide consisting of straight sections is formed by modifying the refractive index, and the axes of each pair of adjacent sections intersect in the plane of the nearest face and lie in the same plane with normal to this face at the same angles to it, and on these faces a reflective surface is made, characterized in that the workpiece has at least three flat faces with reflective surface, forming a closed loop in the section, and the waveguide sections form a three-dimensional spiral. 2. The integrated optical element according to claim 1, characterized in that a layered dielectric structure is used as a reflective surface, which is applied directly to said flat faces.

Description

Полезная модель относится к области оптики, а именно, к интегральным оптическим элементам, и может быть использована в качестве основного элемента линий задержки, оптических усилителей или генераторов.The utility model relates to the field of optics, namely, to integrated optical elements, and can be used as the main element of delay lines, optical amplifiers or generators.

Интегральные оптические элементы являются основой компактных интегральных чипов, реализующих сложные информационные алгоритмы. Некоторые из них, например, линии задержки, усилители и генераторы оптических сигналов, требуют создания значительной длины оптического пути, на которой будет распространяться и преобразовываться сигнал. Линии задержки оптических сигналов широко применяются для реализации алгоритмов получения, обработки и передачи информации в системах оптической коммуникации, в частности, для буферизации сигналов, синхронизации данных и временного мультиплексирования. Кроме того, задержки временных сигналов используют для оптического контроля фазированных антенных решеток в системах коммуникации радиочастотного диапазона, измерения световых полей и сенсинга, корреляционных измерений и др.Integrated optical elements are the basis of compact integrated chips that implement complex information algorithms. Some of them, for example, delay lines, amplifiers and generators of optical signals, require the creation of a significant length of the optical path over which the signal will propagate and convert. The delay lines of optical signals are widely used to implement algorithms for receiving, processing, and transmitting information in optical communication systems, in particular, for signal buffering, data synchronization, and time multiplexing. In addition, time signal delays are used for optical monitoring of phased antenna arrays in radio frequency communication systems, measuring light fields and sensing, correlation measurements, etc.

Подавляющее большинство современных линий задержки основано на направлении сигнала по дополнительному оптическому пути, длина которого соответствует требуемой временной задержке. В лабораторных условиях для этого часто используют открытое пространство, но такой подход непрактичен для мобильных систем. Альтернативой является выполнение линии задержки на основе длинного оптического волокна, свернутого в кольцо. Однако, для реализации сложных информационных алгоритмов более подходящей является интегрально-оптическая схема компоновки элементов в один чип. Такой подход позволяет создавать компактные устройства массового использования, которые отличаются повышенной устойчивостью к воздействию окружающей среды.The vast majority of modern delay lines are based on the direction of the signal along an additional optical path, the length of which corresponds to the required time delay. In the laboratory, open space is often used for this, but this approach is impractical for mobile systems. An alternative is to make a delay line based on a long optical fiber rolled into a ring. However, for the implementation of complex information algorithms, the integrated optical circuit of the arrangement of elements into one chip is more suitable. This approach allows you to create compact devices for mass use, which are highly resistant to environmental influences.

В настоящее время широко используется планарная технология создания волноводной структуры, в которой реализующие элементы чипа волноводы выполнены в одной плоскости. Как правило, такие структуры изготавливают методом литографии. Благодаря большой разнице (контрасту) показателя преломления между сердцевиной (n₁) волновода и окружением (n₀), его собственные моды хорошо локализованы. В качестве примера можно привести интегрально-оптическую платформу на основе кремниевых волноводов в кварце, контраст в которых составляет Δn=n₁-n₀~2 (так называемая SOI-платформа). При таком высоком контрасте показателя преломления можно создавать изгибы волновода с малыми радиусами кривизны (менее 15 мкм для SOI-платформы для сигналов с длиной волны 1.55 мкм), что дает возможность плотной упаковки функциональных элементов.Currently, planar technology for creating a waveguide structure is widely used, in which the waveguides implementing the chip elements are made in one plane. As a rule, such structures are made by lithography. Due to the large difference (contrast) of the refractive index between the core (n ₁ ) of the waveguide and the environment (n ₀ ), its eigenmodes are well localized. An example is the integrated optical platform based on silicon waveguides in quartz, the contrast in which is Δn = n ₁ -n ₀ ~ 2 (the so-called SOI platform). With such a high contrast of the refractive index, it is possible to create bends of a waveguide with small radii of curvature (less than 15 μm for an SOI platform for signals with a wavelength of 1.55 μm), which makes it possible to densely pack functional elements.

Величина времени задержки τ в волноводном элементе связана с его длиной L линейным соотношением: τ=L/v, где v - скорость распространения сигнала. Потери в линии задержки δ также соотносятся с длиной по линейному закону: δ=βL, где β - коэффициент потерь в волноводе. Для одномодовых SOI волноводов минимальные потери, которые обусловлены рассеянием оптических сигналов на неровностях стенок волноводов, составляют β=2-3 дБ/см (F. Grillot, L. Vivien, S. Laval, E. Cassan, Journal of Lightwave Technology, v. 24, No. 2, p. 891-896, 2006 г.). При задержке τ=1 нс на длине L≈10 см потери будут очень большие: δ≈20-30 дБ.The delay time τ in the waveguide element is related to its length L by a linear relation: τ = L / v, where v is the signal propagation velocity. Losses in the delay line δ are also related to the length according to the linear law: δ = βL, where β is the loss coefficient in the waveguide. For single-mode SOI waveguides, the minimum losses due to the scattering of optical signals on the irregularities of the waveguide walls are β = 2-3 dB / cm (F. Grillot, L. Vivien, S. Laval, E. Cassan, Journal of Lightwave Technology, v. 24, No. 2, p. 891-896, 2006). With a delay of τ = 1 ns over a length of L≈10 cm, the losses will be very large: δ≈20-30 dB.

На сегодняшний день известны способы создания оптических волноводов в объеме диэлектрика с помощью модификации его показателя преломления сфокусированным лазерным излучением. Контраст показателя преломления в таких волноводах очень мал и имеет, как правило, значения Δn~10^-4-10^-3<<1 - это отвечает случаю, так называемых, слабонаправляющих волноводов. В отличие от большинства планарных технологий волноводы с Δn<<1 не дают возможности создавать изгибы малого радиуса с небольшими потерями, поэтому изготовление линий задержки на основе петель и спиралей из сегментов окружностей не представляется практически реализуемым. При этом на линейных участках потери в таких волноводах достаточно малы (B. McMillenetal. OpticsLetters, v. 37, No. 9, p. 1418-1420, 2012 г.), что оставляет перспективы использования указанного метода.To date, there are known methods for creating optical waveguides in the volume of a dielectric by modifying its refractive index by focused laser radiation. The contrast of the refractive index in such waveguides is very small and, as a rule, has values Δn ~ 10 ^-4 -10 ^-3 << 1 - this corresponds to the case of so-called weakly guiding waveguides. Unlike most planar technologies, waveguides with Δn << 1 do not make it possible to create bends of small radius with small losses, therefore, the production of delay lines based on loops and spirals from segments of circles does not seem practically feasible. Moreover, in linear sections, the losses in such waveguides are quite small (B. McMillenetal. OpticsLetters, v. 37, No. 9, p. 1418-1420, 2012), which leaves prospects for using this method.

Из уровня техники известен интегральный оптический элемент в виде прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовки с плоскими гранями, в которой путем модификации показателя преломления сформирован волновод, состоящий из прямолинейных участков, причем оси каждой пары смежных участков пересекаются в плоскости ближайшей грани и лежат в одной плоскости с нормалью к этой грани под одинаковыми углами к ней, а на указанных гранях выполнена отражающая поверхность (см. патент JPH 0669572, кл.G02B 6/12, опубл. 11.03.1994). Недостатками известного устройства являются сложность изготовления элемента на подложке, относительно большие линейные размеры и высокие световые потери.In the prior art, an integral optical element is known in the form of a solid-state workpiece, transparent for wavelengths of a given range, with flat faces, in which, by modifying the refractive index, a waveguide is formed consisting of straight sections, the axes of each pair of adjacent sections intersecting in the plane of the nearest face and lie in one plane with a normal to this face at equal angles to it, and on the indicated faces a reflective surface is made (see patent JPH 0669572, class G02B 6/12, publ. 11.03.1994). The disadvantages of the known device are the complexity of manufacturing an element on a substrate, relatively large linear dimensions and high light losses.

Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности пространственного размещения волновода из прямолинейных участков. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в интегральном оптическом элементе в виде прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовки с плоскими гранями, в которой путем модификации показателя преломления сформирован волновод, состоящий из прямолинейных участков, причем оси каждой пары смежных участков пересекаются в плоскости ближайшей грани и лежат в одной плоскости с нормалью к этой грани под одинаковыми углами к ней, а на указанных гранях выполнена отражающая поверхность, заготовка имеет, по меньшей мере, три плоские грани с отражающей поверхностью, образующие в сечении замкнутый контур, а участки волновода образуют трехмерную спираль. В качестве отражающей поверхности предпочтительно используют слоистую диэлектрическую структуру, которую наносят непосредственно на указанные плоские грани.The objective of the utility model is to eliminate these drawbacks. The technical result consists in increasing the efficiency of the spatial placement of the waveguide from straight sections. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the integrated optical element in the form of a solid-state workpiece with flat faces transparent to wavelengths of a given range, in which a waveguide consisting of straight sections is formed by modifying the refractive index, and the axes of each pair of adjacent sections intersect in the plane of the nearest face and lie in the same plane with the normal to this face at equal angles to it, and on the indicated faces a reflecting surface is made The wafer has at least three flat faces with a reflective surface, forming a closed loop in cross section, and the waveguide sections form a three-dimensional spiral. As a reflective surface, a layered dielectric structure is preferably used, which is applied directly to said planar faces.

На чертеже представлен общий вид предлагаемого устройства.The drawing shows a General view of the proposed device.

Интегральный оптический элемент выполнен в виде твердотельной заготовки 1 из прозрачного для длин волн заданного диапазона материала (например, стекла). Для создания активных оптических устройств - усилителей и генераторов - помимо прозрачности среда также должна обладать соответствующими специфическими свойствами. Заготовка 1 выполнена в форме прямой призмы с несколькими плоскими гранями 2, образующими в сечении замкнутый контур (на чертеже изображена заготовка 1 с четырьмя гранями и квадратным сечением). В указанной заготовке 1 путем модификации показателя преломления, например, при фокусировке в объеме излучения мощного фемтосекундного лазера, сформирован волновод, который состоит из прямолинейных участков 3, образующих трехмерную спираль (точками показаны места входа и выхода волновода). Использование прямолинейных участков 3 вместо округлых изгибов дает возможность избежать значительных потерь в слабонаправляющих волноводах.The integrated optical element is made in the form of a solid-state preform 1 of a given material range, transparent for wavelengths (for example, glass). In order to create active optical devices — amplifiers and generators — in addition to transparency, the medium must also have the corresponding specific properties. The blank 1 is made in the form of a direct prism with several flat faces 2, forming a closed loop in cross section (the drawing shows a blank 1 with four faces and a square cross section). In said blank 1 by modifying the refractive index, for example, when focusing in the radiation volume of a powerful femtosecond laser, a waveguide is formed, which consists of rectilinear sections 3 forming a three-dimensional spiral (the points show the entry and exit points of the waveguide). The use of straight sections 3 instead of round bends makes it possible to avoid significant losses in weakly guiding waveguides.

Оси каждой пары смежных участков 3 пересекаются в плоскости ближайшей грани 2 и лежат в одной плоскости с нормалью n к этой грани под одинаковыми углами α к ней (необходимо геометрическое условие эффективного отражения собственных мод волновода). Точности относительного расположения участков 3 добиваются за счет прецизионной шлифовки и полировки грани 2. Непосредственно на гранях 2 нанесена отражающая поверхность 4 (чтобы не перегружать чертеж, поверхность 4 обозначена только на одной грани 2), реализующая отражение излучения из одного участка 3 волновода в другой.The axes of each pair of adjacent sections 3 intersect in the plane of the nearest face 2 and lie in the same plane with the normal n to this face at the same angles α to it (the geometric condition for the effective reflection of the eigenmodes of the waveguide is necessary). The accuracy of the relative location of sections 3 is achieved by precision grinding and polishing of face 2. Directly on faces 2, a reflecting surface 4 is applied (so as not to overload the drawing, surface 4 is indicated on only one face 2), which reflects radiation from one section 3 of the waveguide to another.

Поверхность 4 предпочтительно выполнена в виде слоистой диэлектрической структуры, которая не только реализует полное зеркальное отражение, но и позволяет управлять дисперсионными характеристиками оптических импульсов, в частности, компенсировать дисперсионное расплывание сигнала при каждом отражении от граней 2. Возможно также использование в качестве отражающей поверхности 4 металлической пленки, напыленной или приложенной к грани 2, но такое выполнение увеличит потери, тем самым сократив допустимую длину волновода.The surface 4 is preferably made in the form of a layered dielectric structure, which not only realizes full specular reflection, but also allows you to control the dispersion characteristics of optical pulses, in particular, to compensate for the dispersion spreading of the signal at each reflection from the faces 2. It is also possible to use a metal surface as a reflecting surface 4 film deposited or applied to face 2, but this embodiment will increase the loss, thereby reducing the allowable waveguide length.

Для частичного вывода излучения из элемента поверхность 4 выполняют полупрозрачной.To partially remove radiation from the element, surface 4 is translucent.

Использование в предлагаемом оптическом элементе пространственной геометрии, подключающей дополнительное измерение, позволяет значительно увеличить эффективную длину волновода, сохранив компактность устройства. При этом отсутствие криволинейных участков минимизирует потери даже в случае в слабонаправляющих волноводов, а простота конструкции позволяет снизить трудозатраты на изготовление.The use of spatial geometry in the proposed optical element, connecting an additional measurement, can significantly increase the effective waveguide length, while maintaining the compactness of the device. In this case, the absence of curved sections minimizes losses even in the case of weakly guiding waveguides, and the simplicity of the design allows to reduce labor costs for manufacturing.

Claims

1. An integrated optical element in the form of a solid-state workpiece, transparent for wavelengths of a given range, with flat faces, in which a waveguide consisting of straight sections is formed by modifying the refractive index, and the axes of each pair of adjacent sections intersect in the plane of the nearest face and lie in the same plane with normal to this face at the same angles to it, and on these faces a reflective surface is made, characterized in that the workpiece has at least three flat faces with reflective surface, forming a closed loop in the section, and sections of the waveguide form a three-dimensional spiral.

2. The integrated optical element according to claim 1, characterized in that a layered dielectric structure is used as the reflective surface, which is applied directly to said flat faces.